高振東

（隴東學(xué)院信息工程學(xué)院，甘肅慶陽,745000）

0 引言

人類社會在不斷的進步和發(fā)展，人們的生活水平也在不斷地提高，尤其是城市居民的生活節(jié)奏也在加快。為了保證生活質(zhì)量，人們越來越關(guān)注自己的身體健康[1]。傳統(tǒng)的血壓計是模擬的血壓計，這類血壓計在進行測量血壓的時候有很多步驟，測量的準(zhǔn)確度有限，環(huán)境影響很大，并且要經(jīng)常校準(zhǔn)。此類血壓計的使用與維護相對麻煩，為了讓廣大血壓計使用者更方便的使用與維護血壓計，也讓更多的人學(xué)會使用血壓計進行簡單的血壓測量，本文設(shè)計出一臺操作便捷，測量精確，無需維護的智能型測量血壓的裝置，以幫助人們對抗高血壓[2]。

1 電子血壓計的工作原理

電子血壓計主要有袖帶、氣泵、放氣閥、壓力傳感器、信號調(diào)理電路、液晶顯示模塊和控制電路構(gòu)成，其基本原理如下。

首先由氣泵對袖帶進行加壓，控制器檢測壓力傳感器的反饋值，直至袖帶中的氣壓能夠切斷動脈血流，這時氣泵停止工作。然后，控制器控制放氣閥打開，進行緩慢放氣，當(dāng)袖帶中的氣壓與人體心臟收縮壓力相等時，動脈血流將再次流通，從而使壓力傳感器的反饋值發(fā)生改變，控制器此時記錄的壓力值即為人體的收縮壓（最高血壓）；保持放氣閥繼續(xù)緩慢放氣，直至壓力傳感器的反饋信號不發(fā)生改變時，這時記錄的壓力值即為人體的舒張壓（最低血壓）。最后，得到的結(jié)果在液晶顯示屏上顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文所設(shè)計的電子血壓計，具備的功能：能夠?qū)崿F(xiàn)對人體血壓值的測量；在測量過程中能夠記錄人體的脈搏值；能夠?qū)y量記錄值直觀顯示；具有自動控制功能。

根據(jù)上述的功能需求，提出便攜式電子血壓計的設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1可以看出，便攜式電子血壓計主要由以下功能模塊構(gòu)成。

1、主控單元：主要負責(zé)電子血壓計在整個測量過程中，各功能單元相互間工作的協(xié)調(diào)和同步。除此之外還應(yīng)具有數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力值與顯示值之間的轉(zhuǎn)換。

2、驅(qū)動電路：主要負責(zé)對主控單元的輸出信號加以放大，轉(zhuǎn)去控制功率元件（氣泵或放氣閥），以實現(xiàn)對袖帶的充放氣功能。

3、壓力傳感器及信號調(diào)理電路：主要負責(zé)測量充氣袖帶中的氣壓值，并將其轉(zhuǎn)換為電信號送入控制單元。

4、液晶顯示及功能按鍵單元：為用戶提供一個良好的人機交互環(huán)境，能夠根據(jù)用戶的需求，將結(jié)果在液晶面板顯示。

5、系統(tǒng)供電單元：該單元用來為整個系統(tǒng)供電。

2.1 主控單元

采用美國Freescale公司生產(chǎn)的MC9S12系列的低功耗16位單片機MC9S12XS128[3]。

該單片機的PWM單元具有8路的輸出，每路可獨立設(shè)置，且每路的控制精度都為16位。另外，該單片機的ADC單元具有2組10位的AD轉(zhuǎn)換模塊。并且該單片機內(nèi)部具有PLL（鎖相環(huán)）電路，能夠通過倍頻使系統(tǒng)的執(zhí)行速率達到40MIPS。

2.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路主要是對來自控制單元的控制信號加以識別處理后，再進行放大去控制功率元件。電子血壓計系統(tǒng)中的功率單元只有氣泵和放氣閥。驅(qū)動電路主要完成對流過線圈中的電流進行開通和關(guān)斷的控制。由此，采用共射極驅(qū)動電路控制氣泵和放氣閥。

2.3 壓力傳感器

壓力傳感器主要實現(xiàn)將充氣袖帶中的氣壓值的轉(zhuǎn)換為單片機可識別的電信號。設(shè)計采用臺灣生產(chǎn)的US9111-006型壓力傳感器。

圖1 電子血壓計的結(jié)構(gòu)框圖

2.4 系統(tǒng)電源的設(shè)計方案

考慮到電子血壓計系統(tǒng)是一個模數(shù)混合系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中應(yīng)盡量將模擬電路與數(shù)字電路進行分割保護，以保證設(shè)備工作的精度。

3 電子血壓計的硬件電路設(shè)計

3.1 硬件整體方案設(shè)計

根據(jù)本文設(shè)計的內(nèi)容以及提出設(shè)計方案，現(xiàn)給出設(shè)計的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該硬件系統(tǒng)由六大電路構(gòu)成。分別為單片機電路、驅(qū)動電路、運放電路、按鍵電路、液晶電路構(gòu)成和電源電路。

3.2 單片硬件電路設(shè)計

本設(shè)計中選取Freescale公司生產(chǎn)的16位的單片機MC9S12XS128。單片機的最小系統(tǒng)是由時鐘電路，復(fù)位電路和下載電路構(gòu)成的。

3.2.1 時鐘電路硬件設(shè)計設(shè)計

由于MC9S12XS128單片機內(nèi)部具有鎖相環(huán)單元，鎖相環(huán)單元通過使外部時鐘信號的頻率提高，從而產(chǎn)生系統(tǒng)工作的總線頻率，可以達到40MHz。由此可見，只有設(shè)計出穩(wěn)定、可靠的時鐘電路，可能為單片機的可靠工作提供有力的保障。

本設(shè)計中采用外部時鐘，完成時鐘電路的硬件設(shè)計，所謂外部時鐘電路，指的是系統(tǒng)的時鐘是由外部獨立的時鐘電路產(chǎn)生，其工作不依賴單片機內(nèi)部的振蕩器，采用該方法進行時鐘電路的設(shè)計能有效抑制外界干擾，以保證系統(tǒng)時鐘的可靠運行[4]。

3.2.2 復(fù)位電路硬件設(shè)計

復(fù)位電路主要完成對系統(tǒng)各個寄存器的初始化，以保證系統(tǒng)的可到運行。系統(tǒng)復(fù)位電路一般分為手動復(fù)位和上電復(fù)位兩種方式，本設(shè)計中將兩種復(fù)位功能集成在一個硬件電路上實現(xiàn)， 由于MC9S12XS128單片機的復(fù)位信號為低電平有效，本設(shè)計中使用專用的復(fù)位芯片MAX6822位單片機提供有效的復(fù)位信號，以保證對單片機各個寄存器進行成功的初始化[5]。

3.3 驅(qū)動電路硬件設(shè)計

驅(qū)動電路負責(zé)接收來自MC9S12XS128的控制信號，并將其功率放大轉(zhuǎn)而去控制氣泵和放氣閥。

3.3.1 氣泵驅(qū)動電路硬件設(shè)計

設(shè)計中采用共射極驅(qū)動電路實現(xiàn)對氣泵SC3302PM的有效控制。選擇NPN型三極管TIP41作為驅(qū)動元件。TIP41采用達林頓結(jié)構(gòu)，能夠有效的對集電極電路進行放大，以滿足設(shè)計的需求。

3.3.2 放氣閥驅(qū)動電路硬件設(shè)計

放氣閥硬件電路的設(shè)計與氣泵采用同樣的共射極驅(qū)動電路實現(xiàn)，對放氣閥的控制原理同上述氣泵的控制原理一致。

3.4 運放電路的硬件設(shè)計

運放電路主要完成對壓力傳感器US9111-006輸出信號的濾波和樹枝轉(zhuǎn)換，已達到MC9S12XS128單片機中ADC能夠識別的電壓值。設(shè)計采用專用的儀器儀表放大器INA121P實現(xiàn)對US9111-006壓力傳感器輸出信號的放大。

3.5 按鍵電路的硬件設(shè)計

按鍵電路主要完成人機交互功能，為節(jié)省CPU的資源，保證設(shè)計的合理性，本設(shè)計中采用行列矩陣鍵盤。

3.6 液晶顯示電路硬件設(shè)計

本設(shè)計中要求能夠?qū)崿F(xiàn)血壓值和脈搏值的顯示，主要以字符為主。因此本設(shè)計選擇LCD1602作為液晶顯示單元。LCD1602能夠的顯示2行16列32個字符。同時，模塊內(nèi)有相應(yīng)的控制電路和驅(qū)動電路，單片機對其的控制方便。

3.7 系統(tǒng)電源硬件設(shè)計

電子設(shè)備中的最大干擾源，來自于系統(tǒng)的供電電源。因此為保證系統(tǒng)運行的可靠性和測量的精度值，本設(shè)計中采用數(shù)字電路與模擬電路獨立供電的設(shè)計方案。

3.7.1 數(shù)字電路供電電源硬件設(shè)計

考慮到系統(tǒng)中大部分設(shè)備為數(shù)字設(shè)備，因此數(shù)字電路的功耗較大，為體現(xiàn)便攜式設(shè)備的低功耗特性，本設(shè)計中選用LM317T開關(guān)電源芯片為數(shù)字電路提供供電。該電路中將鋰電池輸出的電壓通過直流開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM317T輸出，通過調(diào)整該電路中的R12的阻值，可以輸出穩(wěn)定的3.3V電壓，同時該芯片輸出電流最大為3A，能夠為數(shù)字電路提供可靠供電。

3.7.2 模擬電路供電電源硬件設(shè)計

圖2 電子血壓計硬件結(jié)構(gòu)框圖

考慮到系統(tǒng)中模擬設(shè)備輸出的信號較弱，若系統(tǒng)采用開關(guān)電源為模擬電路供電，會對傳感器輸出的信號產(chǎn)生。因此本設(shè)計中選用LM1117-3.3V線性穩(wěn)壓電源為模擬電路提供供電。

該電路中將鋰電池輸出的電壓通過直流線性穩(wěn)壓電源LM1117-3.3V輸出，輸出電壓值穩(wěn)定在3.3V，同時該芯片輸出電流最大為1A，能夠為模擬電路提供可靠供電。

5 系統(tǒng)測試

表1為本設(shè)計制作出的電子血壓計與普通水銀血壓計對人體血壓值進行測量后的數(shù)據(jù)比對表格。

電子血壓計實現(xiàn)了血壓測量的全自動化過程，對于普通用戶而言只需按下按鍵就可以按成血壓的測量。但水銀血壓計所針對的用戶必須掌握一定的專業(yè)知識也能進行血壓測量。綜上所述，電子血壓計無論在對人體血壓的測量過程中和可操作性上，都比傳統(tǒng)的水銀血壓計性能更勝一籌。

參考文獻

[1] 李學(xué)哲.基于STC12C5A的電子血壓計綜合性能評價系統(tǒng)研究[J].北京:電子技術(shù)應(yīng)用,2013,(6):43-65.

[2] 張曉蘭.基于MSP430的防水型電子血壓計設(shè)計[J].北京:測控技術(shù),2013.(2):42-56.

[3] 謝維成.單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:56-78.

[4] 何慧.影響電子血壓計測量正確性的相關(guān)因素及對策[J].北京:醫(yī)藥前沿,2013.(11):57-65.

[5] 張偉.傳感器與自動檢測技術(shù)實驗指導(dǎo)書[M].濟南:山東人民出版社,2009.78-87.